DE4310390C2 - Ultrasound imaging device for detection and / or identification of surface structures and surface structures - Google Patents

Ultrasound imaging device for detection and / or identification of surface structures and surface structures

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Description

Die Erfindung bezieht sich auf eine Ultraschallabbildungsvorrichtung zur Erfassung und/oder Identifikation von Oberflächenstrukturen und oberflächennahen Strukturen. The invention relates to an ultrasonic imaging apparatus for the detection and / or identification of surface structures and near-surface structures.

Vorrichtungen dieser Art unter Verwendung von Ultraschall sind bereits bekannt geworden. Devices of this type using ultrasound are already known. Gemäß der in der DE-OS 40 16 105 A1 beschriebenen Vorrichtung wird das auf einer ebenen oder gewölbten ultraschalldurchlässigen Auflage befindliche Objekt, z. According to the process described in DE-OS 40 16 105 A1 device, the object is located on a flat or curved ultrasound-transmitting support, for example. B. eine Fingerkuppe, durch einen mit Flüssigkeit gefüllten Körper oder einen Festkörper mit Ultraschallwellen beschallt und die am Objekt zurückgestreuten und reflektierten Wellen werden von einem Empfänger aufgenommen. For example, a fingertip, sonicated by a fluid-filled body or a solid body with ultrasonic waves and back-scattered at the object and reflected waves are received by a receiver. Durch die Intensität der rückgestreuten Wellen kann die Beschaffenheit der Oberfläche und der oberflächennahen Strukturen ermittelt werden. By the intensity of the backscattered wave, the nature of the surface and near-surface structures can be determined. Der Sender der Ultraschallwellen und der Empfänger sind scheibenförmig und getrennt voneinander angeordnet, und es werden nur Sender gewählt, die ebene oder sphärische parallel zur Oberfläche verlaufende Wellen aufweisen und der Empfänger ist nur für solche empfindlich. The transmitter of the ultrasonic waves and the receiver are disc-shaped and separated from each other, and only selected channels having planar or spherical surface extending parallel to the shafts and the receiver is only sensitive to such. Auf diese Weise erhält der Empfänger direkt eine Fouriertransformation, aus der jeder Parameter, wie Phase, Amplitude oder Intensität entnommen werden kann. In this way, the recipient receives a direct Fourier transformation, from each of parameters such as phase, amplitude, or intensity can be removed. Je nach der Struktur des zu untersuchenden Objektes variiert die Streuung und damit die Intensität der rückgestreuten Wellen in den verschiedenen Richtungen unterschiedlich stark. Depending on the structure of the object to be examined, the scattering and thus the intensity of the backscattered waves in different directions will vary to different degrees. Den einzelnen Intensitätswerten können Meßeinheiten, wie Zahlen, Farben und dergleichen zugeordnet werden. The individual intensity values ​​measuring units, such as numbers, colors and the like can be assigned. Durch eine solche Zuordnung werden dann entsprechende Bilder der Strukturen des Objektes erhalten. Through such assignment corresponding images of the structures of the object are then obtained.

Es hat sich herausgestellt, daß mit den bekannten Vorrichtungen keine ausreichend guten und differenzierbaren Ergebnisse erzielt werden können, da diese bekannten Methoden zu stark von der Lage des jeweiligen Objektes abhängig sind. It has been found that with the known devices sufficiently good and differentiable results can be achieved, since these known methods are too dependent on the position of the respective object.

Die Erfindung hat sich deshalb die Aufgabe gesetzt, eine Ultraschallbildungsvorrichtung zur Erfassung und/oder Identifikation von Oberflächenstrukturen und oberflächennahen Strukturen eines Objektes zu schaffen, die eine möglichst gute Wiedergabe der Oberflächenstrukturen und oberflächennahen Strukturen unabhängig von der Lage des Objektes ermöglicht. The invention has therefore set itself the object to provide an ultrasonic forming device for detection and / or identification of surface structures and near-surface structures of an object, which allows the best possible rendition of the surface structures and near-surface structures irrespective of the position of the object.

Ausgehend von der vorher beschriebenen Vorrichtung wird dies gemäß der Erfindung mit einer Vorrichtung gemäß Anspruch 1 erreicht. Starting from the previously described apparatus, this is achieved according to the invention with a device according to Claim. 1 Das Dabei vorgesehene Loch für die Strahlungsquelle hat einen geringen Durchmesser und liegt am Brennpunkt eines fokussierenden Sendewandlers für die Ultraschallwellen und ermöglicht eine sehr intensive und gleichmäßige Beschallung des gesamten Objektes. In this case, the hole provided for the radiation source has a small diameter and is located at the focal point of a focusing transducer for transmitting the ultrasonic waves and allows a very intense and uniform irradiation of the entire object. Das Loch der Strahlungsquelle befindet sich in einem Träger und ist dabei so weit von der Auflagefläche des Objektes entfernt, daß dieses vollständig bestrahlt wird. The hole of the radiation source is located in a vehicle and is so far away from the support surface of the object, that this is fully irradiated. Die vollständige Bestrahlung des Objektes ist eine Voraussetzung der erfindungsgemäßen Vorrichtung. The full exposure of the property is a prerequisite of the inventive device. Die lochförmige Begrenzung bedingt, daß nur sphärische Wellen auf das Objekt auftreffen. The hole-shaped boundary requires that only spherical waves impinging on the object. Die vom Sendewandler normalerweise ausgehenden Wellen sind nicht homogen, also nicht exakt spärisch, jedoch gehört zur Funktionstüchtigkeit der Vorrichtung eine spektrale Reinheit und es sollen nur sphärische Wellen das Objekt erreichen. The normally emanating from the transmitting transducer waves are not homogeneous, that is not exactly spherically, but the functionality of the device includes a spectral purity and it should reach the object only spherical waves.

In Weiterbildung der Erfindung wird vorgeschlagen, einen vorzugsweise ringförmigen Empfangswandler zu verwenden, der aus einer Vielzahl von kleinen punktförmigen Wandlern zusammengesetzt ist. In a further development of the invention it is proposed to use a preferably annular receiving transducer, which is composed of a plurality of small dot-shaped transducers. Als Mindestzahl der Empfangswandler werden vorzugsweise 256 verwendet, die zu einem Ring zusammengesetzt sind. The minimum number of receiving transducers 256 preferably are combined to form a ring are used. Damit genügend Energie auf den Emfpangswandlerring zurückgebeugt wird, wird vorgeschlagen, die Auflage für das Objekt als konkav-konvexe oder konvex-konkave Linse auszubilden, wobei das Objekt auf der konvex gewölbten Seite aufliegt. So that sufficient energy is diffracted to the Emfpangswandlerring, it is proposed that the support for the object as a concave-convex or convex-concave lens where the object rests on the convex side. Anstelle einer Linse als Auflagefläche kann auch eine konvex-konkave Scheibe verwendet werden. Instead of a lens as a bearing surface and a convexo-concave disc can be used. Auf diese Weise wird eine fokussierende Wirkung in Richtung auf die Empfangswandler bzw. den Empfangswandlerring erreicht. In this manner, a focusing effect in toward the receiving transducer and the receiving transducer ring is achieved. Die Wellen, die nicht von dem Objekt zurückgebeugt werden, reflektieren zum Sender zurück. The waves that are not bent back from the object, reflect back to the transmitter.

Zur Ermittlung der Oberflächenstruktur und der oberflächennahen Strukturen wird das Objekt mit einer Impulsgruppe bestrahlt. To determine the surface structure and the near-surface structures of the object is irradiated with a pulse group. Es hat sich gezeigt, daß 3000 Impulsgruppen pro Sekunde gesendet werden können und zwar bei einem Abstand von ca. 10 cm zwischen dem Loch und der Auflage für das Objekt. It has been found that 3000 pulse groups can be sent per second, and at a separation of about 10 cm between the hole and the support for the object. Um das komplette Diffratkionsbild zu erhalten, ist es notwendig, nacheinander mit verschiedenen Frequenzen im Ultraschallbereich zu senden. To get the complete Diffratkionsbild, it is necessary to send in succession with different frequencies in the ultrasonic range. Bei jeder Frequenz wird jeder Wandler einzeln nacheinander abgefragt. At each frequency, each transducer is individually polled in sequence. Die Abfragung erfolgt zweckmäßigerweise bei 20 verschiedenen Frequenzen im Ultraschallbereich. The detection takes place conveniently at 20 different frequencies in the ultrasonic range. Diese Maßnahme ist notwendig, um die erforderliche Auflösung des Diffraktionsbildes zu erhalten. This measure is necessary to obtain the required resolution of the diffraction image.

Der weitere Aufbau der erfindungsgemäßen Vorrichtung ist derart, daß ein Frequenzgenerator eine Impulsgruppe mit vorgegebener Frequenz über einen Verstärker den Sendewandler zuführt. The further construction of the device according to the invention is such that a frequency generator supplies a pulse group with a predetermined frequency via an amplifier to the transmitting transducer. Die von dem Objekt zurückgestreuten Wellen werden von dem Empfangswandler aufgenommen und als Signale an einen Verstärker weitergegeben. The back-scattered waves from the object are received by the receiving transducer and passed on as signals to an amplifier. Die verstärkten Signale werden einem Detektor zugeführt, der die Signale in einen Gleichstrom umwandelt. The amplified signals are supplied to a detector, which converts the signals into a direct current. Davon wird die durchschnittliche Amplitude in einem vorgegebenen Zeitabschnitt gemessen und einem Computer zur Auswertung zugeführt, der auch wegen der zeitlichen Koordinaten den Frequenzgenerator steuert. Of these, the average amplitude is measured in a predetermined time period and supplied to a computer for evaluation, which controls the frequency generator also because of the time coordinates.

Weitere Einzelheiten werden anhand der Zeichnungen erläutert. Further details are explained with reference to the drawings. Dabei zeigen show Here

Fig. 1 den schematischen Aufbau der erfindungsgemäßen Vorrichtung, Fig. 1 shows the schematic structure of the device according to the invention,

Fig. 2 eine Draufsicht auf die Tragfläche mit dem Empfangswandlerring, Fig. 2 is a plan view of the wing with the receiving transducer ring,

Fig. 3 eine vergrößerte Darstellung des Bereiches A der Fig. 2, Fig. 3 is an enlarged view of the area A of Fig. 2,

Fig. 4 eine vergrößerte Darstellung des Bereiches B der Fig. 1. Fig. 4 is an enlarged view of area B in FIG. 1.

Fig. 1 zeigt den Aufbau der Vorrichtung vom Prinzip her. Fig. 1 shows forth the construction of the device in principle. Der fokussierende Sendewandler 1 sendet Ultraschallwellen aus, die sich im Brennpunkt treffen und die die punktförmige Strahlungsquelle 8 bilden. The focusing transmitting transducer 1 emits ultrasonic waves, which meet in the focal point and form the point source of radiation. 8 Diese erscheint in dem Loch 2 des Trägers 4 . These appear in the hole 2 of the support. 4 Es hat sich herausgestellt, daß das Loch 2 am zweckmäßigsten von einer trichterförmigen Öffnung 9 , wie in Fig. 4 dargestellt, gebildet ist. It has been found that the hole 2 is most conveniently formed by a funnel-shaped opening 9, as shown in Fig. 4.

Auf der Fläche 3 des Trägers 4 befindet sich, wie in den Fig. 2 und 3 gezeigt, der aus zahlreichen kleinen Wandlerelementen 5 gebildete Empfangswandlerring 6 . On the surface 3 of the carrier 4 is located, 2 and 3, the receiving transducer ring 6 made up of numerous small transducer elements 5 as shown in Figs.. Im Bereich des Wandlerringes 6 ist die Fläche 3 des Trägers 4 sphärisch ausgebildet, deren Krümmungsmittelpunkt in der Mitte der Auflagefläche der Auflage 7 liegt. In the area of the transducer ring 6, the surface 3 of the carrier 4 is spherical, whose center of curvature is located in the center of the support surface of the support. 7 Die Ausbildung der Fläche 3 kann beliebig sein, solange nur der Bereich des Empfangswandlers sphärisch ausgebildet ist. The formation of the surface 3 may be arbitrary as long as only the area of the receiving transducer is spherical. Gegenüber dem Wandlerring ist die als konvex-konkave auf die Wandlerelemente 5 hin gerichtete Scheibe ausgebildete Auflage 7 für das Objekt vorgesehen. Compared to the transducer ring formed as convex-concave directed to the transducer elements 5 towards wheel support 7 is provided for the object. Anstelle der Scheibe kann auch eine Linse eingesetzt werden. Instead of the disc, a lens can be used. Die konvexe Seite dient als Auflagefläche für das Objekt. The convex side serves as a bearing surface for the object. Diese Auflage fokussiert die zurückgestreuten Ultraschallwellen auf den Empfangswandlerring 6 . This pad focuses the backscattered ultrasound waves to the receiving transducer ring. 6 Auf diese Weise wird ausreichend Energie dem Empfangswandler zugeführt. In this way, energy is supplied to the receiving transducer sufficient. Zwischen der Auflage 7 und der Fläche 3 des Trägers 4 befindet sich ein Medium, nämlich eine Flüssigkeit, z. Between the support 7 and the surface 3 of the carrier 4 there is a medium, namely a liquid, eg. B. Wasser oder ein Festkörper, z. As water or a solid such. B. Glas oder Plexiglas. As glass or Plexiglas.

Der Strahlenverlauf der Ultraschallwellen ist in Fig. 1 skizziert. The beam path of the ultrasonic waves is outlined in FIG. 1. Die vom Sendewandler ausgesandten Ultraschallwellen fokussieren in dem Loch 2 und verlaufen weiter bis zur Auflage 7 durch das zwischen beiden befindliche Medium. The emitted from the transmitting transducer to focus ultrasonic waves in the hole 2 and extending further to the support 7 by the left between the two media. Auf der konvexen Fläche der Auflage befindet sich das jeweilige Objekt, wobei sich die erfindungsgemäße Vorrichtung besonders zur Erfassung und Identifikation von der Haut der Fingerkuppen eignet, und zwar sowohl der Oberfläche als auch der unter der Oberfläche liegende Hautstruktur, die das Wachstum der Haut verursacht. On the convex surface of the support is the particular object, with the apparatus of the invention is particularly suitable for the detection and identification of the skin of the finger, and both the surface and the subsurface skin structure causing the growth of the skin. Die Vorrichtung gemäß der Erfindung ist so konstruiert, daß die gesamte Fläche der Auflage 7 beschallt wird. The device according to the invention is designed so that the entire surface of the support is sonicated. 7 Als Folge der fokussierenden Wirkung der Auflage wird ein erheblicher Teil der zurückgestreuten Wellen auf den Empfangswandlerring 6 fokussiert, so daß ein einwandfreies Diffraktionsbild vermittelt wird. As a result of the focusing effect of the support a significant portion of the backscattered waves is focused on the receiving transducer ring 6 so that a perfect diffraction image is transferred.

Es ist nicht zwingend, das Loch 2 mittig in der Fläche 3 des Trägers 4 anzuordnen, jedoch muß garantiert sein, daß die vom Objekt zurückgestreuten Wellen auf den ringförmigen Empfangswandler treffen. It is not imperative to place the hole 2 centrally in the surface 3 of the substrate 4, but it must be guaranteed that the back-scattered from the object waves encounter the annular receiving transducer.

Claims (10)

1. Ultraschallabbildungsvorrichtung zur Erfassung und/oder Identifikation von Oberflächenstrukturen und oberflächennahen Strukturen eines auf einer Auflage liegenden Objektes, das durch eine Flüssigkeit oder einen Festkörper mit den Ultraschallwellen eines Sendewandlers ( 1 ) beschallt wird, wobei die durch das Objekt zurückgestreuten Ultraschallwellen von einem Empfangswandler ( 6 ) erfaßt werden, dadurch gekennzeichnet , daß 1. Ultrasound imaging device for detection and / or identification of surface structures and near-surface structures of a lying on a support object which is sonicated by a liquid or a solid state with the ultrasonic waves of a transmitting transducer (1), wherein the back-scattered by the object ultrasonic waves (of a receiving transducer 6) are detected, characterized in that
  • a) der Empfangswandler ( 6 ) auf der der Auflage zugewandten sphärischen, konkaven Fläche ( 3 ) eines Trägers ( 4 ) angeordnet ist, der ein Loch ( 2 ) aufweist, dessen Durchmesser in der Größenordnung der Wellenlänge der Ultraschallwellen liegt, a) the receiving transducer (6) on the support facing spherical concave surface (3) of a carrier (4) is arranged, which has a hole (2), whose diameter is of the order of the wavelength of the ultrasonic waves,
  • b) der Sendewandler ( 1 ) die von ihm ausgesandten Ultraschallwellen so fokussiert, daß deren Brennpunkt im Loch ( 2 ) des Trägers ( 4 ) liegt, so daß das Loch ( 2 ) zur gleichzeitigen Beschallung des gesamten Objektes als Strahlungsquelle ( 8 ) für sphärische Ultraschallwellen wirkt, und b) the transmission transducer (1) focuses the radiation emitted by him ultrasonic waves that their focal point is located (in the hole 2) of the carrier (4), so that the hole (2) for the simultaneous acoustic irradiation of the entire object as a radiation source (8) for spherical ultrasonic waves acts, and
  • c) der Krümmungsmittelpunkt der sphärischen Fläche ( 3 ) in der Mitte der Auflagefläche der Auflage ( 7 ) liegt, die fokussierend wirkt. c) is the center of curvature of the spherical surface (3) in the center of the bearing surface of the support (7) which has a focusing effect.
2. Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der Empfangswandler ( 6 ) aus einem oder mehreren Wandlerelementen ( 5 ) besteht, die um das Loch ( 2 ) herum angeordnet sind. 2. Device according to claim 1, characterized in that the receiving transducer (6) consists of one or several transducer elements (5) disposed around the hole (2) are arranged around.
3. Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Auflage ( 7 ) eine konvex-konkave oder eine konkav-konvexe Linse ist. 3. Device according to claim 1, characterized in that the support (7) is a convex-concave or a concave-convex lens.
4. Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Auflage ( 7 ) als konvex-konkave Scheibe ausgebildet ist. 4. Device according to claim 1, characterized in that the support (7) is formed as a convex-concave disc.
5. Vorrichtung nach Anspruch 1 und 2, dadurch gekennzeichnet, daß die Wandlerelemente ( 5 ) aneinandergereiht sind. 5. Device according to claim 1 and 2, characterized in that the transducer elements (5) are strung together.
6. Vorrichtung nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, daß die Wandlerelemente ( 5 ) in einem Ring angeordnet sind. 6. The device according to claim 4, characterized in that the transducer elements (5) are arranged in a ring.
7. Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Ultraschallbestrahlung mit einer Impulsgruppe erfolgt. 7. The device according to claim 1, characterized in that the ultrasonic irradiation takes place with a pulse group.
8. Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Ultraschallbestrahlung mit unterschiedlichen Frequenzen im Ultraschallbereich erfolgt. 8. The device according to claim 1, characterized in that the ultrasonic irradiation takes place at different frequencies in the ultrasonic range.
9. Vorrichtung nach einem oder mehreren der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß das Loch ( 2 ) im Mittelpunkt der Fläche ( 3 ) des Trägers ( 4 ) vorgesehen ist. 9. The device according to one or more of the preceding claims, characterized in that the hole (2) in the center of the surface (3) of the carrier (4) is provided.
10. Vorrichtung nach den Ansprüchen 1 oder 8, dadurch gekennzeichnet, daß das Loch ( 2 ) von einer trichterförmigen Öffnung ( 9 ) des Trägers ( 4 ) gebildet ist. 10. Device according to claims 1 or 8, characterized in that the hole (2) by a funnel-shaped opening (9) of the carrier (4) is formed.
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